第一部分 课程设计的题目与要求
1、系统名称：基于单片机的数字电压表的设计 2、设计内容：
设计一台基于8051单片机的数字电压表，能够直接测量0-5V范围内的直流电压
（1）数字电压表总体设计方案，合理选择单片机、A/D转换器、显示器件。 （2）根据A/D转换器分辨率计算出数字电压表的测量精度和最小输入量值。 （3）完成数字电压表硬件和软件程序设计，硬件设计包括单片机、ADC0809接口、LCD显示接口、软件设计包括主程序、显示接口程序、A/D转换程序，重点是A/D转换程序及采样数据的处理及显示程序。
（4）采用Proteus进行虚拟仿真设计,结合Keil uvision2集成开发环境进行调试
3、基本要求：
从单片机最小应用系统基本要求出发,拟定一个数字电压表设计方案,合理选择各种器件,根据所采用的A/D转换器，分析计算数字电压表的测量精度，根据所采用的显示器件，设计合理的A/D采样和数字显示程序，要求显示误差满足设计精度，最终实现数字电压表功能。采用Proteus虚拟仿真设计，进一步了解和掌握单片机应用系统的设计方法。了解和掌握单片机应用系统的设计和调试过程，学习软件程序的的调试和排错方法，基本原理框图如下：
单片机 8051 LCD数据显示 模拟电压 A/D转换接口 控制报警电路（可选） 键盘（可选） 1
图 1 基本原理图
第二部分 详细设计
1、 系统设计技术基础
（1）Keil uvision2集成开发环境介绍
Keil uVision2是德国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，这个集成开发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。uVision2 IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境。
（2）Proteus仿真软件介绍
Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
2、硬件功能模块
（1）MCS-51单片机的特点和基本结构
8051系列单片机是美国Intel公司于20世纪80年代推出的MCS-51系列高性能8位单片机的基础上发展而来的，它在单一芯片内集成了并行I/O口、异步串行口、16位定时/计数器、中断系统、中断系统、片内RAM和片内ROM以及其他一些功能部件。现在，8051系列单片机已经有了很大的发展，除了Intel公司以外，Philips、Siemens、AMD、Fujutsu、OKI、Atmel、SSt、Winbond等公司都推出了以8051为核心的新一代8位单片机，这种新型单片机的集成度更
2
高，在片内集成了更多的功能部件，如A/D、PWM、PCA、WDT以及高速I/O口等。不同的公司推出的8051具有各自的功能特点，但它们的内核都是以Intel公司的MCS-51
为基础的，并且指令系统兼容，从而给用户带来了广阔的选择范围，同时又可以采用相同的开发工具。
8051系列单片机可以分为无片内ROM型和带片内ROM型两种。对于无片内ROM型的芯片，必须外接EPROM（典型芯片8031）才能应用。带芯片内ROM型的芯片又分为片内EPROM型（典型芯片为87C51）、片内FLASH型号（典型芯片为89C51）、片内掩膜ROM型（典型芯片为8051）。一些公司还推出了一种带有片内一次性可编程ROM（One Time Progamming，OTP）的芯片（典型芯片为97C51）。一般来说，片内EPROM型或片内FLASH型芯片适合于开发样机和需要现场进一步完善的场合。当样机开发基本成功后，便可以采用OTP型芯片进行小批量试生产，成功后采用带掩膜ROM的8051进行大批量生产。
8051系列单片机在存储器的配置上采用所谓的“哈佛”结构，即在物理上具有独立的程序存储器和数据存储器，而在逻辑上则采用相同的地址空间，利用不同的指令和寻址方式进行访问，可分为寻址64KB的程序存储器空间和64KB的数据存储器空间，充分满足工业测量的需要。8051系列单片机共有111条指令，其中包括除指令和位操作指令。中断源有5个（8032/8052为6个），分为两个优先级，每个中断源的优先级是可编程的，在8051系列单片机的内部AM区中开辟了4个通用工作寄存区，共有32个通用寄存器，可以适用于多种中断或子程序嵌套的情况。另外还在内部RAM中开辟了一个位寻址区，利用位操作指令可以对位寻址区中每个单元的每一个位直接进行操作，特别适合于解决各种开关操作和逻辑问题。ROM型8051在单芯片应用方式下其4个并行I/O口（P0—P3）都可以作为输入输出，在扩展应用方式下，则需要采用P0和P2口作为片外扩展地址总线。8051单片机内部集成了两个（8032/8052为3个）16位定时/计数器，可以十分方便地进行定时和计数操作，还集成了1个全双工的异步串行接口，可同时发送和接受数据，为单片机之间的相互通信或与上位机通信带来了极大的方便。
8051单片机的基本组成，单片机芯片内都包括中央处理器（CPU），它是单片机的核心，用于产生各种控制信号，并完成对数据的算术逻辑运算和传送。内部数据存储器RAM，用以存放可以读写的数据。内部程序存储器ROM，用以存放程序
3
指令或某些常数表格。4个8位的并行I/O口P0、P1、P2和P3，每个口都可以用作输入或者输出。两个（8051）或3个（8052）定时/计数器，用来做外部事件计数器，也可用来定时。内部中断系统具有5个中断源，两个优先级的嵌套中断结构，可实现二级中断服务程序嵌套，每一个中断源都可用软件程序规定为高优先级中断或低优先级中断。一个串行接口电路，可用于异步接收发送器。内部时钟电路，但晶体和微调电容需要外接，振荡频率可以高达40MHz。以上各部分通过内部总线相连接。 （2）震荡电路介绍
8051单片机内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，反相放大器的输入端XTAL1，输出端为XTAL2，分别是8051的19和18脚。在XTAL1和XTAL2之间接一个石英晶体及两个电容，就可以构成稳定的自激振荡器，当振荡在6-12MHz时通常取30pF左右的电容进行微调，如图2所示。晶体振荡器的振荡信号经过片内时钟发生器进行二分频，向CPU提供两相时钟信号P1和P2。时钟信号的周期称为状态时间S，它是振荡周期的两倍，在每个状态的前半周期P1信号有效，在每个状态的后半周期P2信号有效，CPU就以这两相时钟信号为基本节拍指挥单片机各部分协调工作。
S1P1 P218C2石英晶体P1振荡器C180C5119XTAL1时钟发生器P2XTAL2S2P1 P2
图2 8051的片内振荡器及时钟发生电路
（3）复位电路介绍
8051单片机与其他微处理器一样，在启动时都需要复位，使CPU和系统的各个部件都处于一种确定的初始状态。复位信号从单片机的RST引脚输入，高电
4
